Rendimiento extremadamente alto a altos voltajes

TSMC anunció esta semana un nuevo proceso de fabricación diseñado específicamente para productos de computación de alto rendimiento (HPC). N4X promete combinar la densidad de transistores y las reglas de diseño de los nodos de la familia N5 de TSMC con la capacidad de manejar chips con voltajes extra altos para frecuencias más altas, lo que será particularmente útil para CPU y SoC de servidor. Curiosamente, el N4X de TSMC puede potencialmente habilitar frecuencias más altas que incluso el proceso N3 de próxima generación de la compañía.

Uno de los problemas causados ​​por la reducción de tamaño de los transistores es la reducción de tamaño de sus contactos, lo que significa una mayor resistencia de contacto y los consiguientes problemas con la entrega de energía. Diferentes fabricantes están adoptando diferentes enfoques para abordar el problema de la resistencia de los contactos: Intel usa contactos de cobalto en lugar de contactos de tungsteno, mientras que otros fabricantes han optado por hacer contactos con tecnología de deposición selectiva de tungsteno. Si bien estos métodos funcionan perfectamente para casi todos los tipos de chips, todavía hay formas de mejorar aún más la potencia de salida para diseños de computación de alto rendimiento (HPC) que son relativamente inmodestas en términos de la potencia / voltaje total utilizado. Eso es exactamente lo que hizo TSMC con su nodo N4X. Pero antes de entrar en los detalles del nuevo proceso de fabricación, veamos qué beneficios promete TSMC.

TSMC afirma que su nodo N4X puede proporcionar velocidades de reloj hasta un 15% más rápidas en comparación con un circuito similar hecho con N5, así como hasta un 4% más de frecuencia en comparación con un IC hecho con su nodo N4P a 1.2V. Además, y aparentemente más importante, N4X puede alcanzar voltajes de controlador superiores a 1.2V para relojes aún más altos. Para poner los números en contexto, los SoC de la familia M1 de Apple que se fabricaron en N5 funcionan a 3,20 GHz, pero si esos SoC se fabricaran con N4X, utilizando las matemáticas de TSMC, teóricamente podrían funcionar a alrededor de 3, 70 GHz o incluso más. frecuencia para voltajes superiores a 1,2 V.

TSMC no compara la densidad de transistores del N4X con otros miembros de su familia N5, pero normalmente los procesadores y SoC para aplicaciones HPC no se desarrollan con bibliotecas de alta densidad. Cuando se trata de energía, los voltajes de accionamiento superiores a 1,2 V aumentan naturalmente el consumo de energía en comparación con los chips fabricados con otros nodos de clase N5, una preocupación secundaria. De hecho, el consumo de energía general de las GPU de clase HPC y piezas similares ha aumentado en las últimas generaciones, y no hay indicios de que esto se detenga en las próximas generaciones de productos, gracias en parte a N4X.

"HPC es ahora la división de TSMC de más rápido crecimiento y estamos orgullosos de presentar N4X, el primero en la línea 'X' de tecnologías de semiconductores de muy alto rendimiento", dijo el Dr. Kevin Zhang, vicepresidente senior de desarrollo comercial de TSMC. "Las demandas del segmento HPC son implacables y TSMC no solo ha adaptado nuestras tecnologías de semiconductores 'X' para lograr el máximo rendimiento, sino que también las ha combinado con nuestras tecnologías de empaquetado 3DFabric avanzadas para ofrecer la mejor plataforma HPC".

Mejoras anunciadas de PPA en nuevas tecnologías de proceso
Fechas divulgadas durante conferencias telefónicas, eventos, conferencias de prensa y comunicados de prensa
TSMC
N5
vs.
N7
N5P
vs.
N5
N5HPC
vs.
N5
N4
vs.
N5
N4P
vs.
N5
N4P
vs.
N4
N4X
vs.
N5
N4X
vs.
N4P
N3
vs.
N5
energía-30%-10%?más bajo-22%-??-25-30%
energía+ 15%+ 5%+ 7%más alto+ 11%+ 6%+ 15%
o
más
+ 4%
o más
+ 10-15%
Área lógica

% De reducción

(Densidad)

0.55x

-45%

(1.8x)

-

-

0,94 veces

-6%

1.06x

0,94 veces

-6%

1.06x

-

?

?

0.58x

-42%

(1,7 veces)

volumen
Fabricación
2do trimestre 20202021T2 202220222023H2 2022H1
2024?
H1 2024?H2 2022

Para aumentar el rendimiento y permitir voltajes de control de más de 1,2 V, TSMC tuvo que desarrollar aún más toda la pila de procesos.

  • Primero, rediseñó sus transistores FinFET y los optimizó tanto para relojes altos como para altas corrientes de excitación, lo que probablemente signifique reducir la resistencia y la capacitancia parásita y aumentar el flujo de corriente a través del canal. No sabemos si necesitaba aumentar el espaciado de paso de puerta a puerta, y en este punto TSMC no dice qué hizo exactamente y cómo afectó la densidad del transistor.
  • En segundo lugar, se han introducido nuevos condensadores de metal-aislante-metal (MiM) de alta densidad para una entrega de energía estable bajo cargas extremas.
  • En tercer lugar, la pila de metal de final de línea se ha rediseñado para proporcionar más potencia a los transistores. Una vez más, no sabemos cómo afectó esto a la densidad del transistor y, en última instancia, a los tamaños de los troqueles.

Intel ha realizado mejoras en gran medida similares a su tecnología de proceso SuperFin mejorada de 10 nm (ahora Intel 7), lo que no es sorprendente, ya que estos son métodos naturales para aumentar el potencial de frecuencia.

Es espectacular la claridad con la que TSMC ha logrado aumentar el potencial de reloj de su tecnología N5 a lo largo del tiempo. Un aumento del 15% acerca a N4X a su tecnología de fabricación N3 de próxima generación. Con voltajes del controlador superiores a 1,2 V, este nodo permite velocidades de reloj más altas que N3, lo que lo hace particularmente bueno para las CPU de los centros de datos.

TSMC espera que los primeros diseños de N4X afecten la producción de riesgo en la primera mitad de 2023, que es una descripción muy vaga del momento, ya que puede significar muy tarde en 2022 o principios de 2023. En cualquier caso, generalmente se necesita un año para que un chip pase de la producción de riesgo a una iteración en producción de alto volumen, por lo que se espera que los primeros diseños de N4X lleguen al mercado a principios de 2024, N4X promete una ventaja en los relojes, N3 tendrá una gran ventaja en la densidad de transistores.

Fuente: TSMC

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